프로세스의 개요

프로그램과 프로세스의 차이

폰노이만 구조에서 프로그램이 실행된다는 것은 해당 코드가 메모리에 올라와서 작업된다는 의미이다.

• 프로그램은 저장장치에 저장되어 있는 정적인 상태
• 프로세스는 하나의 작업 단위이다.
• 프로세스는 실행을 위해 메모리에 올라온 동적인 상태이다.
  • 프로세스의 작업 단위 Task

프로그램이 프로세스로 전환

• 프로그램을 메모리의 적당한 위치로 가져온다. 가져오는 동시에 프로세스 제어 블록이 만들어진다.

• 프로세스 제어 블록(Process Control Block)

  • 프로세스 구분자 : 메모리에는 여러 개의 프로세스가 존재하므로 각 프로세스를 구분하는 구분자(IDentification)이 필요하다.
  • 메모리 관련 정보 : CPU는 실행하려는 프로세스가 메모리의 어디에 저장되어 있는지를 알아야 작업을 할 수 있다. 이를 위해 프로세스 제어 블록에는 프로세스의 메모리 위치 정보가 담겨 있다. 또한 메모리 보호를 위한 경계 레지스터와 한계 레지스터도 포함되어 있다.
  • 각종 중간값 : 프로제스 제어 블록에는 프로세스가 사용했던 중간값이 저장된다. 시분할 시스템에서는 여러 프로세스가 번갈아가며 실행되기 때문에 각 프로세스는 일정 시간 작업을 한 후 다른 프로세스에 CPU를 넘겨준다. 프로세스 A가 103번 행까지 작업한 후 다른 프로세스에 CPU를 넘겨주었다고 가정해보면, 시간이 흘러 다시 프로세스 A의 차례가 되면 104번 행부터 작업을 시작해야 한다. 이를 위해 프로세스 제어 블록에는 다음에 작업해야 할 코드의 위치가 담긴 레지스터인 프로그램 카운터가 저장된다. 또한 작업의 중간값을 보관 중인 다른 레지스터도 같이 저장된다. 이렇게 저장된 값은 작업을 계속 진행할 수 있게 해준다.

결론적으로 하나의 프로세스를 실행하려면 프로세스 구분자, 메모리 관련 정보, 프로그램 카운터와 각종 레지스터 같은 중간값을 관리해야 하며, 이러한 정보를 보관하는 데이터 구조가 프로세스 제어 블록이다.

• 프로그램이 메모리에 올라와 프로세스가 되는 과정

• 프로세스와 프로그램의 관계

    프로세스 = 프로그램 + 프로세스 제어 블록
    프로그램 = 프로세스 - 프로세스 제어 블록
  

일괄 작업 시스템

• Queue로 처리된다. 즉 먼저 들어온 작업부터 처리한다.

시분할 작업 시스템

• CPU가 1개인 컴퓨터라고 가정하면 1개로 여러개의 프로세스를 동시에 실행하는 원리. CPU가 시간을 나눠서 여러 프로세스에 적절히 배분함으로써 동시에 실행하는 것처럼 느껴진다.

프로세스 상태

프로세스 네 가지 상태(활성화 상태)

• 생성 상태(create status) : 프로세스가 메모리에 올라와 실행 준비를 완료한 상태이다. 프로세스를 관리하는 데 필요한 프로세스 제어 블록이 생성된다.
• 준비 상태(ready status) : 생성된 프로세스가 CPU를 얻을 때까지 기다리는 상태이다. CPU가 하나인 컴퓨터에서는 한 번에 하나의 프로세스만 실행할 수 있기 때문에 자기 실행 순서가 될 때 까지 준비 상태에서 기다려야 한다.
• **실행 상태(running status)** : 준비 상태에 있는 프로세스 중 하나가 CPU를 얻어 실제 작업을 수행하는 상태로 ‘execute status’라고 표현하기도 한다. 실행 상태에 들어간 프로세스는 일정 시간 동안 CPU를 사용할 권리를 갖는다. 만약 주어진 시간을 다 사용하고도 작업이 끝나지 않았다면 프로세스는 준비 상태로 돌아와 다음 차례를 기다린다. 프로세스는 자신의 작업이 끝날 때까지 준비 상태와 실행 상태를 왔다 갔다 한다.
• 완료 상태(terminate) : 실행 상태의 프로세스가 주어진 시간 동안 작업을 마치면 완료 상태로 진입한다. 완료 상태는 프로세스 제어 블록이 사라진 상태를 의미한다.

• 준비 상태에 있는 여러 프로세스 중 다음에 실행할 프로세스를 선정하는 일은 CPU 스케쥴러(CPU scheduler)가 담당한다.
• CPU준비 상태의 프로세스 중 하나를 선택하여 실행 상태로 바꾸는 CPU 스케쥴러의 작업을 디스패치(dispatch)라고 한다.
• CPU 스케쥴러는 프로세스의 전 상태, 즉 생성, 준비, 실행 ,완료에 관여하여 모든 프로세스의 작업이 원만하게 이루어지도록 관리한다.
• 타임 퀀텀 또는 타임 슬라이스 : CPU 스케쥴러에 의해 선택된 실행 상태에서 일정 시간 동안 작업을 한다. 프로세스에 배당된 작업 시간을 타임 슬라이스 또는 타임 퀀텀이라고 한다.
• 타임 아웃(time out) : 프로세스는 자신에게 주어진 하나의 타임 슬라이스 동안 작업을 끝내지 못하면 다시 준비생태로 돌아가는 것을 타임 아웃이라고 한다.
• 새로운 프로세스가 실행 상태로 들어오면 CPU는 일정 시간(타임 슬라이스)이 흐른 뒤 알려 달라고 클록에 요청한다. 일정 시간이 다 되면 클록은 인터럽트 사용하여 일정 시간이 흘렀다고 CPU에 알려준다.

프로세스의 다섯 가지 상태 (활성화 상태)

• 프로세스 네 가지 단계(생성, 준비, 실행 ,완료)만으로는 작업을 진행하는 데 문제가 없다.하지만 효율성ㅇ을 고려하여 한 가지 상태를 더 추가하였다. 어떤 프로세스가 실행 상태에 들어가 입출력을 요구했다고 가정하면 인터럽트 시스템에서 프로세스가 입출력을 요구하면 CPU가 직접 데이터를 가져오지 않고 입출력 관리자에게 명령을 내린다. 이 상태에서 프로세스는 요청한 작업이 끝날 때까지 다음 작업을 할 수 없다. 따라서 CPU도 아무 작업을 하지 않고 기다리게 되는 상황이 된다.
• 대기 상태(blocking status) : 입출력을 요구한 프로세스가 입출력이 완료 될 때까지 기다리는 대기 상태(blocking status)라고 한다.
• 대기 상태는 작업의 효율성을 높이기 위해 채택됨. 입출력을 요청한 프로세스를 싱행 상태에 두지 않고 대기 상태로 옮기는 것

• 프로세스의 상태와 관련 작업
• 생성 상태(create status)
  • 생성 상태는 프로그램이 메모리에 올라오고 운영체제로부터 프로세스 제어 블록을 할당 받을 상태이다.
  • 생성된 프로세스는 바로 실행되는 것이 아니라 준비 상태에서 자기 순서를 기다리며, PCB도 같이 준비상태로 옮겨진다.
• 준비 상태(ready status)
  • 준비 상태는 실행 대기 중인 모든 프로세스가 자기 순서를 기다리는 상태
  • 프로세스 제어 블록은 준비 큐(ready queue) 에서 기다리며 CPU 스케쥴러에 의해 관리된다.
  • 준비 큐는 하나가 아니고 다수이다.
  • CPU 스케쥴러는 준비 상태에서 큐를 몇 개 운영할지, 큐에 있는 어떤 프로세스의 프로세스 제어 블록을 실행 상태로 보낼지 결정한다.
• 실행 상태(running status)
  • 실행 상태는 프로세스가 CPU를 할당 받아 실행되는 상태.
  • 준비 상태에 있는 많은 프로세스 중 실행 상태에 들어가는 프로세스는 CPU의 개수 만큼이다.
  • 실행 상태에 있는 프로세스는 주어진 시간, 타임 슬라이스 동안만 작업할 수 있다.
  • 시간을 다 사용하면 timeout(PID)가 실행된다. 그러면 실행 상태 → 준비 상태 이동된다.
  • 실행 상태 동안 작업이 완료되면 exit(PID)가 실행되어 프로세스가 정상 종료된다.
  • 실행 상태 프로세스가 입출력을 요청하면 CPU는 입출력 관리자에게 입출력을 요청하고 block(PID)를 실행한다.
  • block(PID)는 입출력이 완료될 때까지 작업을 진행할 수 없기 때문에 해당 프로세스를 대기 상태로 옮긴다.
  • CPU 스케쥴러는 새로운 프로세스를 실행 상태로 가져온다 (dispatch)
• 대기 상태(blocking status)
  • 대기 상태는 실행 상태에 있는 프로세스가 입출력을 요청하면 입출력이 완료될 때까지 기다리는 상태로 ‘wait status’라고도 한다.
  • 작업의 효율을 위해 만들어진 것으로, 대기 상태의 프로세스는 입출력장치별로 마련된 큐에서 기다린다.
  • 입출력이 완료되면 인터럽트가 발생하면서 대기 상태에 있는 여러 프로세스 중 해당 인터럽트로 깨어날 프로세스를 찾는데 이것이 wakeup(PID)이다.
  • wakeup(PID)로 해당 프로세스의 프로세스 제어 블록이 준비 상태로 이동한다.
  • 어떤 프로세스가 대기 상태에서 준비 상태로 이동하는 것은 인터럽트 때문이다. 인터럽트는 입출력으로 발생하지만 어떤 이벤트에 의해 발생하기도 한다.
• 완료 상태(terminate status)
  • 완료 상태는 프로세스가 종료되는 상태.
  • 완료 상태에서는 코드와 사용했던 데이터를 메모리에서 삭제하고 프로세스 제어 블록을 폐기한다.
  • 정상적인 종료 → exit()
  • 오류 또는 다른 프로세스에 의해 비정상적으로 종료되는 강제 종료(abort)를 만나면 디버깅하기 위해 강제 종료 직전의 메모리 상태를 저장장치로 옮기는데 이를 코어 덤프(core dump)라고한다.
  • 코어 덤프(core dump)는 종료 직전의 메모리 상태를 확인함으로써 오류를 수정할 수 있게 해준다.

휴식 상태와 보류 상태

프로세스 활성화 상태(생성, 준비, 실행, 대기, 완료)와 다른 상태가 있다. 휴식상태와 보류상태이다. 바로 알아 보자.

• 휴식 상태(pause status)
  • 휴식 상태는 프로세스가 작업을 일시적으로 쉬고 있는 상태
  • 프로그램이 종료된 것처럼 보이지만 실행을 잠시 멈춘 것.
  • ps 명령어로 확인 가능 → 정지(stop) 으로 되어 있다.
• 보류 상태(suspend status)
  • 보류 상태는 일시 정시 상태 라고도 불린다. 프로세스가 메모리에서 잠시 쫒겨난 상태로 휴식 상태와 다르다.
  • 프로세스는 아래와 같은 경우에 보류 상태가 된다.
    • 메모리가 꽉 차서 일부 프로세스를 메모리 박으로 내보낼 때
    • 프로그램에 오류가 있어서 실행을 미루어야할 때 (임시 메모리(저장소)에 저장해 놓는다)
    • 바이러스와 같이 악의적인 공격을 하는 프로세스라고 판단될 때
    • 매우 긴 주기로 반복되는 프로세스라 메모리 밖으로 쫒아내도 큰 문제가 없을 때
    • 입출력을 기다리는 프로세스의 입출력이 계속 지연될 때
• 보류 상태 포함한 프로세스의 상태

• 보류 상태에 들어간 프로세스는 메모리 밖으로 쫓겨나 스왑 영역(swap area)에 보관된다.
• 스왑 영역은 메모리에서 쫓겨난 데이터가 임시로 보관되는 곳

➡️보류 상태는 스왑 영역에 있는 상태이다.

➡️휴식 상태는 프로세스가 메모리에 있으나 멈춘 상태이다.

보류 상태 는 대기상태에서 옮겨진 보류 대기 상태(block suspend status)와 준비상태에서 옮겨진 보류 준비 상태(ready suspend status)로 구분된다.

• 각 상태에서 재시작하면 원래의 활성 상태로 들어간다.

참고 문헌

• 조성호, “쉽게배우는 운영체제”